王利恒，易金平，王志航

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能與網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205）

窯爐是玻璃、陶瓷等燒制品的重要生產(chǎn)設(shè)備。合理地控制窯爐各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)，既可以節(jié)約能源又可以保證產(chǎn)品質(zhì)量。大型窯爐的溫度測(cè)點(diǎn)多，燃燒控制點(diǎn)分布廣。計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)雖然可以很好解決多回路控制問(wèn)題[1]，但集中控制帶來(lái)了大面積故障的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際的控制系統(tǒng)仍然以就地的溫度控制器加遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)管理為主。

本文研究并設(shè)計(jì)了一款基于Web技術(shù)的分布式窯爐溫控器，可以直接利用瀏覽器來(lái)監(jiān)控并管理溫控參數(shù)[2]。利用該溫控器可以實(shí)現(xiàn)扁平化的智能分布式窯爐控制系統(tǒng)。

1 溫控器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

窯爐是一個(gè)參數(shù)分布、熱慣性較大的熱工對(duì)象[3]。為了使窯爐均勻加熱，減少溫度梯度，往往一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)多路燒嘴。因此控制器采用了一路溫度采集八路燒嘴控制輸出的結(jié)構(gòu)形式。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of control system

溫度采集使用熱電偶。燒嘴控制輸出使用數(shù)字量的Bang-Bang控制，在程序上可以使用長(zhǎng)周期的PWM信號(hào)作為輸出控制。為了擴(kuò)展控制器的實(shí)用性，提供了一路標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA模擬量輸出。該路輸出可以通過(guò)軟件設(shè)置成溫度輸出或控制量輸出。當(dāng)設(shè)置成溫度輸出時(shí)，控制器在作為溫控器的同時(shí)可以提供溫變功能。當(dāng)設(shè)置成控制量輸出時(shí)，該控制器可以作為一個(gè)普通的溫度調(diào)節(jié)器使用。

該控制器提供兩種通信接口：一路基于RS485的ModBUS總線通信接口；一路以太網(wǎng)總線通信接口。本文主要探討基于以太網(wǎng)接口的Web Server的通信控制。

2 輸入輸出通道設(shè)計(jì)

2.1 溫度輸入通道

爐窯工作時(shí)溫度可達(dá)1000℃以上，可選用測(cè)量在0～1300℃范圍內(nèi)的K型熱電偶作為爐窯的溫度傳感器。熱電偶的輸出熱電勢(shì)不僅與測(cè)量端的溫度有關(guān)，而且與冷端的溫度有關(guān)，冷端在爐窯工作同時(shí)易受環(huán)境溫度的影響，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，為彌補(bǔ)熱電偶存在的非線性、冷補(bǔ)償?shù)热毕?，通常需要在電路上做冷端補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)使用MAX6675芯片作為熱電偶輸入通道芯片，其外圍電路如圖2所示，該芯片內(nèi)部集成的冷端補(bǔ)償電路（補(bǔ)償范圍為-20℃～80℃）、非線性矯正電路，可以直接將熱電偶輸出的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)[4]。精簡(jiǎn)了外圍電路的同時(shí)，提高了性能和一致性。

圖2 熱電偶輸入通道Fig.2 Thermocouple input channel

2.2 燒嘴控制輸出通道

燒嘴燃燒只有兩種狀態(tài)：點(diǎn)火燃燒和熄火停工。因此燒嘴控制是一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，要么工作（ON），要么不工作（OFF）。對(duì)于這樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，典型的數(shù)字控制算法為Bang-Bang控制算法，根據(jù)控制量來(lái)確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一個(gè)控制周期的工作時(shí)間來(lái)完成控制。因此可以使用繼電器的通斷來(lái)控制燒嘴的工作。

由于窯爐一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)多路燒嘴，所以控制器設(shè)計(jì)有8路上述的開(kāi)關(guān)控制通道輸出 （如圖3），可以兼容8路以下的所有窯爐控制對(duì)象。

圖3 一路燒嘴控制輸出通道Fig.3 One-way burner control output channel

3 控制算法設(shè)計(jì)

由于溫控器需要控制8路燒嘴，所以控制算法分為兩步。第一步使用經(jīng)典的PID計(jì)算出控制量（0～100%）；第二步使用更具控制量的Bang-Bang控制算法來(lái)確定各燒嘴的工作時(shí)間和相位[5]。

3.1 控制量輸出

控制算法使用時(shí)間最優(yōu)PID算法，設(shè)被控量偏差為e（k），設(shè)定輸入為r（k），系統(tǒng)輸出為y（k），則控制量輸出u（k）表達(dá)式為

當(dāng)系統(tǒng)偏差大于設(shè)定閾值α?xí)r，控制量輸出100，對(duì)應(yīng)Bang-Bang控制的狀態(tài)ON；當(dāng)系統(tǒng)偏差小于設(shè)定閾值-α?xí)r，控制量輸出0，對(duì)應(yīng)Bang-Bang控制的狀態(tài) OFF；當(dāng)系統(tǒng)偏差∈［-α，α］時(shí)，控制量有PID算法計(jì)算得到。

3.2 8路Bang-Bang控制算法

與PID相結(jié)合的Bang-Bang控制算法，就是根據(jù)控制量來(lái)決定燒嘴的工作狀態(tài)。對(duì)于每一路燒嘴來(lái)說(shuō)，控制量U=80時(shí)，則控制該路燒嘴在一個(gè)周期T里，0.8T的時(shí)間處于ON，0.2T的時(shí)間處于OFF。

對(duì)于8路（多路）燒嘴來(lái)說(shuō)，如果所有的燒嘴都同步控制，那就是燒嘴同時(shí)燃燒，同時(shí)熄滅。這樣輸出就會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，為了得到較好的控制品質(zhì)，使用燒嘴在一個(gè)周期內(nèi)依次按控制率進(jìn)行工作的模式。其控制時(shí)序如圖4所示。每個(gè)燒嘴在一個(gè)控制周期處于工作（ON）狀態(tài)總時(shí)間為U*T/100，每一個(gè)燒嘴與前面一個(gè)燒嘴的相位差為T(mén)/8。

圖4 Bang-Bang控制8路燒嘴時(shí)序圖Fig.4 Bang-Bang control timing chart of eight burner

一旦確定控制周期T，每路控制輸出就是一路PWM輸出。根據(jù)實(shí)際的控制燒嘴數(shù)量，就可以確定每路PWM輸出的相位差，這樣就完成了每路的Bang-Bang控制。由于窯爐溫度是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，通常控制周期T不宜選的太小，一般在30～120 s之間。

4 Web Server的實(shí)現(xiàn)

由于本控制器需要提供遠(yuǎn)程設(shè)置和操作，以便實(shí)現(xiàn)分布式控制的要求。為了減少對(duì)客戶(hù)端的要求，控制通過(guò)Web Server來(lái)實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程只需要瀏覽器就可完成設(shè)置和操作。要實(shí)現(xiàn)Web Server，必須完整地實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的5個(gè)協(xié)議層。STM32F407內(nèi)部集成了ETH控制器，通過(guò)外接一片PHY層芯片，就具備了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的硬件條件。通過(guò)軟件可以實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧以及Web Server的應(yīng)用開(kāi)發(fā)[6]。系統(tǒng)各部分在TCP/IP模型中的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層Fig.5 Embedded network protocol layer

LAN8720芯片是一片支持RMII接口的PHY層實(shí)現(xiàn)芯片，在TCP/IP模型中處于物理層的位置。STM32F407集成的MAC控制器和STM32F407的ETH驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路層功能。目前對(duì)于TCP/IP協(xié)議族有很多實(shí)現(xiàn)版本，LWIP就是一個(gè)開(kāi)源的輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，非常適合嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，而在LWIP-APP中提供了Web Server的實(shí)現(xiàn)。要想實(shí)現(xiàn)一個(gè)Web控制器，就要完成LWIP的移植和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。本設(shè)計(jì)就是基于LWIP來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

LWIP的移植就是要使LWIP協(xié)議棧能運(yùn)行在指定的硬件平臺(tái)上，因此需要完成物理層的初始化以及協(xié)議層和物理層的連接工作。完成LWIP的移植工作，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式的Web Server了[7]。整個(gè)系統(tǒng)工作框圖如圖6所示。

首先根據(jù)應(yīng)用需求使用網(wǎng)頁(yè)編輯器設(shè)計(jì)出控制器瀏覽頁(yè)面，此時(shí)一般是.htm、.html、.shtm等類(lèi)型的文件。需要通過(guò)轉(zhuǎn)換工具（makefsdata.exe）將其轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言文件，和主程序代碼一起編譯并下載。

圖6 Web server工作框圖Fig.6 Web server block diagram

當(dāng)客戶(hù)瀏覽器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)Web Server時(shí)，Web Server將網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)傳送給客戶(hù)瀏覽器。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)編輯器編輯的網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)是靜態(tài)數(shù)據(jù)，而控制器需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及與客戶(hù)端的交互，比如：發(fā)送給客戶(hù)瀏覽器的是實(shí)時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，客戶(hù)端可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)設(shè)置控制器參數(shù)。這種動(dòng)態(tài)交互式是通過(guò)服務(wù)器端嵌入（SSI）技術(shù)和公共網(wǎng)關(guān)接口實(shí)現(xiàn)的[8]。

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示是通過(guò)SSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。比如需要在瀏覽器上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值，在編輯網(wǎng)頁(yè)文件時(shí)，在要顯示溫度的位置插入一條SSI指令：，其中t是 SSI標(biāo)簽（tag）。 對(duì)于支持SSI指令的 Web Server，將調(diào)用 SSIHandle（）函數(shù)來(lái)處理這條指令，因此在函數(shù)中完成溫度數(shù)據(jù)的采集（在實(shí)際控制器中，由于控制實(shí)時(shí)性的要求，溫度采集使用單獨(dú)線程實(shí)現(xiàn)）并返回溫度值給服務(wù)器，比如“t=30.6℃”。服務(wù)器將實(shí)時(shí)的溫度值代替源網(wǎng)頁(yè)中的SSI標(biāo)簽發(fā)送給瀏覽器客戶(hù)端，所以在瀏覽器客戶(hù)端就可以監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)溫度值。SSI工作流程如圖7所示。

圖7 SSI技術(shù)工作示意Fig.7 Schematic diagram of SSI technology

4.2 客戶(hù)端設(shè)置參數(shù)

客戶(hù)端設(shè)置參數(shù)功能通過(guò)CGI技術(shù)實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器端將表單和對(duì)應(yīng)的CGI代碼關(guān)聯(lián)。當(dāng)客戶(hù)端通過(guò)表單設(shè)置好參數(shù)并提交，此時(shí)提交給服務(wù)器端的將是一個(gè)帶CGI代碼名稱(chēng)和參數(shù)的URL，如圖8所示。服務(wù)器對(duì)該URL進(jìn)行解析，得到處理該URL的CGI函數(shù)，以及傳遞給該函數(shù)的參數(shù)。通過(guò)函數(shù)代碼完成參數(shù)的設(shè)定工作。整個(gè)CGI程序的執(zhí)行過(guò)程如圖8所示。

圖8 CGI程序的執(zhí)行過(guò)程Fig.8 Execution of the CGI program

4.3 客戶(hù)端測(cè)試

溫控器支持DHCP，在有DHCP服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)里，可以動(dòng)態(tài)分配IP。在動(dòng)態(tài)獲取IP地址失敗后，會(huì)使用預(yù)置的靜態(tài)IP地址[9]。訪問(wèn)溫控器必須通過(guò)IP地址訪問(wèn)。圖9是溫控器的參數(shù)顯示頁(yè)面和設(shè)置頁(yè)面。

圖9 溫控器的遠(yuǎn)程登錄測(cè)試Fig.9 Remote login test for the thermostat

之所有要設(shè)置兩個(gè)頁(yè)面，是由于顯示參數(shù)需要實(shí)時(shí)更新，因此顯示頁(yè)面設(shè)置了每秒自動(dòng)刷新一次的代碼。而設(shè)置頁(yè)面需要用戶(hù)設(shè)置完參數(shù)才能提交。所以為了互不干擾，分成兩個(gè)畫(huà)面設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)控制器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該控制器可以直接控制多路燒嘴，既具備傳統(tǒng)控制器的溫控功能，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和設(shè)置。在用于小規(guī)模的分布式控制系統(tǒng)中，具有成本低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制以及診斷，可應(yīng)用于工業(yè)控制等多個(gè)領(lǐng)域。